CN110542542B - 一种动平台条件下光学模拟器光轴一致性检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动平台条件下光学模拟器光轴一致性检测装置及方法，属于光学检测领域，解决了现有技术中无法测量动平台条件下光轴一致性的问题。该装置包括，与被测光学模拟器设置于同一动平台上的反射镜，反射镜的光轴与被测光学模拟器的光轴平行；平行光产生组件，用于产生垂直照射到所述反射镜上的平行光；信息采集设备，用于采集平行光经反射镜反射后产生的第一光斑信息和被测光学模拟器发射平行光产生的第二光斑信息；处理器，用于根据第一光斑信息和第二光斑信息获得被测光学模拟器光轴的偏移量。本发明能够在动平台条件下精确测量光学模拟器光轴的偏移量。

Description

一种动平台条件下光学模拟器光轴一致性检测装置及方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种动平台条件下光学模拟器光轴一致性检测装置及方法。

背景技术

精确制导武器现已成为信息化局部战争中物理杀伤的主要手段，并在战争中发挥了重要作用。空间使用的精确制导武器有其特殊性，因为太空中大气极其稀薄，不可能采用气动效应控制弹体的姿态和转向，必须采用轨控和姿控发动机进行变轨和调姿。轨控发动机工作时，其光轴垂直方向产生很大的推力，使导引头结构和光学系统发生形变，由于光学导引头精度很高，微米级的形变就会导致光学导引头光轴发生偏移，跟踪精度变差，严重时甚至导致试验失败，因此必须在模拟动平台条件下使用光学模拟器模拟空间导引头进而对空间成像导引头进行性能测试，而光轴一致性的检测结果的准确性将影响空间成像导引头性能测试结果的准确性，进而影响制导武器的精度。

现有的光轴一致性测量技术通常是针对静态条件下的光轴偏移量的测量。在动平台条件下，尤其是冲击条件下光学模拟器光轴一致性校准技术在高精度制导武器研制过程中尤为重要，针对这类测量需求，现有的光轴一致性测量技术显然难以满足。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种动平台条件下光学模拟器光轴一致性检测装置及方法，用以解决现有技术无法测量动平台条件下光轴一致性的问题。

一方面，本发明提供了一种动平台条件下光学模拟器光轴一致性检测装置，该装置包括与被测光学模拟器设置于同一动平台上的反射镜，其中，所述反射镜的光轴与所述被测光学模拟器的光轴平行；平行光产生组件，用于产生垂直照射到所述反射镜上的平行光；信息采集设备，用于采集平行光经所述反射镜反射后产生的第一光斑信息和被测光学模拟器发射平行光产生的第二光斑信息；处理器，用于根据所述第一光斑信息和第二光斑信息获得被测光学模拟器光轴的偏移量。

进一步的，所述处理器执行下述步骤获得被测光学模拟器光轴的偏移量：

基于所述第一光斑信息和第二光斑信息分别得到t₁、t₂时刻第一光斑和第二光斑的中心坐标；

根据t₁、t₂时刻第一光斑的中心坐标得到反射镜在x方向和y方向的偏向角θ_1x和θ_1y；

根据t₁、t₂时刻第二光斑的中心坐标得到被测光学模拟器在x方向和y方向的偏向角θ_2x和θ_2y；

利用下式获得被测光学模拟器光轴的偏移量：

进一步的，所述反射镜的偏移量小于0.5″。

进一步的，所述平行光产生组件包括准直光源和分光镜，所述准直光源发射平行光经分光镜反射至反射镜。

进一步的，所述准直光源包括光源和光源整形组件，所述光源整形组件对光源进行整形发射准直平行光，准直度小于1′。

进一步的，所述信息采集设备包括第一信息采集设备和第二信息采集设备；

所述第一信息采集设备包括第一光学镜组和第一相机，所述第一光学镜组用于接收依次经反射镜反射、经分光镜透射的平行光并聚焦，所述第一相机用于采集聚焦后的第一光斑信息；

所述第二信息采集设备包括第二光学镜组和第二相机，所述第二光学镜组用于接收被测光学模拟器发射的平行光并聚焦，所述第二相机用于采集聚焦后的第二光斑信息。

进一步的，所述第一相机和第二相机为高频帧相机，像素数不小于2048*1024，帧频不小于200fps。

进一步的，所述动平台为电动振动平台，用于为反射镜和被测光学模拟器提供模拟振动环境；

还包括隔振平台，用于保证平行光产生组件和信息采集设备不受电动振动平台的影响。

根据上述技术方案，本发明的有益效果如下：

1、本发明将被测光学模拟器电动振动平台上，在模拟的振动环境下，对被测光学模拟器的光轴一致性进行测量，解决了现有技术只能测量静态条件下光学模拟器光轴一致性的缺陷，提高了光学模拟器在动平台条件下光轴一致性的测量精度，为精确制导提供了有效保障。

2、本发明将被测光学模拟器和反射镜置于相同的电动振动平台上，提供模拟的振动环境。通过测量被测光学模拟器和反射镜在振动条件下的偏向角，从而获得在动平台条件下被测光学模拟器光轴的偏移量。其中，利用同步补偿技术，通过测量反射镜的偏向角得到电动振动平台引起的光轴偏移量，有效消除电动振动平台自身导致的测量误差，从而提高动平台条件下光学模拟器光轴一致性的测量精度。

另一方面，本发明还提出了一种动平台条件下光学模拟器光轴一致性检测方法，包括以下步骤：

在设置被测光学模拟器的动平台上安装反射镜，其中，所述反射镜的光轴与所述被测光学模拟器的光轴平行；

利用平行光产生组件，产生垂直照射到所述反射镜上的平行光；

在相同振动条件下，分别获取在t₁、t₂时刻反射镜反射平行光产生的第一光斑信息和被测光学模拟器发射平行光产生的第二光斑信息；

根据所述第一光斑信息和第二光斑信息获得被测光学模拟器光轴的偏移量。

进一步的，所述获得被测光学模拟器光轴的偏移量具体包括以下步骤：

基于所述第一光斑信息和第二光斑信息分别得到t₁、t₂时刻的第一光斑和第二光斑的中心坐标；

根据t₁、t₂时刻第一光斑的中心坐标得到反射镜在x方向和y方向的偏向角θ_1x和θ_1y；

根据t₁、t₂时刻第二光斑的中心坐标得到被测光学模拟器在x方向和y方向的偏向角θ_2x和θ_2y；

利用下式获得被测光学模拟器光轴的偏移量：

由于本发明中的动平台条件下光学模拟器光轴一致性检测方法与上述检测装置原理相同，所以该方法也具有与上述检测装置相同的技术效果。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为动平台条件下光学模拟器光轴一致性检测的装置示意图；

图2为本发明实施例动平台条件下光学模拟器光轴一致性检测方法的流程图。

附图标记：

1-反射镜；2-准直光源；3-分光镜；4-第一光学镜组；5-第一相机；6-第二相机；7-第二光学镜组；8-隔振平台；9-电动振动平台；10-处理器；11-被测光学模拟器。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

装置实施例

本发明的一个具体实施例，公开了一种动平台条件下光学模拟器光轴一致性检测装置。

光学模拟器包括光学系统、光源和探测器，可以模拟发射无限远光束的光源并探测目标回波信号，可以通过测量光学模拟器的光轴一致性以测试空间成像导引头的性能。

如图1所示。该装置包括与被测光学模拟器设置于同一动平台上的反射镜，其中，所述反射镜的光轴与所述被测光学模拟器的光轴平行；平行光产生组件，用于产生垂直照射到所述反射镜上的平行光；信息采集设备，用于采集平行光经所述反射镜反射后产生的第一光斑信息和被测光学模拟器发射平行光产生的第二光斑信息；处理器，用于根据所述第一光斑信息和第二光斑信息获得被测光学模拟器光轴的偏移量。

基于本装置，可实时得到被测光学模拟器的光轴偏移量，利用光轴偏移量对被测光学模拟器的光轴一致性进行评估，偏移量越小，被测光学模拟器的光轴一致性越好。

利用偏向角测量，在相同振动条件下，测量被测光学模拟器和反射镜的偏向角，再利用同步补偿技术，即通过测量反射镜的偏向角得到电动振动平台引起的光轴偏移量，有效消除电动振动平台自身导致的测量误差，从而测量动平台条件下光学模拟器光轴一致性，并且可以提高测量精度。

其中，第一光斑信息和第二光斑信息包括像素点的光强。

优选的，所述处理器执行下述步骤获得被测光学模拟器光轴的偏移量：

基于所述第一光斑信息和第二光斑信息分别得到t₁、t₂时刻第一光斑和第二光斑的中心坐标；具体的，首先根据设置的阈值利用阈值分割将光斑信息提取出来，再根据提取的光斑信息进行拟合获得光斑的中心坐标。

根据t₁、t₂时刻第一光斑的中心坐标(x₁，y₁)，(x₁'，y₁')，结合采集第一光斑信息的信息采集设备的属性参数，通过光学原理即可得到反射镜在x方向和y方向的偏向角θ_1x和θ_1y，所述信息采集设备用于采集光斑信息，可以为光学相机，其属性参数包括像素尺寸和光学镜组的焦距，具体公式如下：

其中，a₁、f₁′分别是采集第一光斑的信息采集设备的像素尺寸和光学镜组的焦距。

同理，可以根据t₁、t₂时刻第二光斑的中心坐标(x₂，y₂)，(x₂'，y₂')具体通过下述公式计算得到被测光学模拟器在x方向和y方向的偏向角θ_2x和θ_2y：

其中，a₂、f₂′分别是采集第二光斑的信息采集设备的像素尺寸和光学镜组的焦距。

最后，利用下式获得被测光学模拟器光轴的偏移量：

优选的，处理器可以实时采集和处理信息采集设备传输的光斑信息，处理的器数据采集速率大于信息采集设备的信息输出速率，实时性更好、处理速度更快并且测量结果更加准确。

为了提高测量精度，所述选用的反射镜的偏移量小于0.5″，优选的，反射镜的材质为金属材料或者玻璃材料。

反射镜的偏移量是指反射镜自身抛光面的平整度引起的光轴偏移量。具体实施时，可以选取抛光面平整度较好的反射镜，并且将反射镜安装于动平台上，在静止状态下，调整反射镜的光轴与被测光学模拟器的光轴平行，以减少误差，提高测量的精确度。

具体的，所述平行光产生组件包括准直光源和分光镜，所述准直光源发射平行光经分光镜反射至反射镜。

优选的，所述准直光源包括光源和光源整形组件，光源可以采用激光器、发光二极管或其他发光体，光源的亮度可以动态调整，具体的光源亮度依据所选用相机的动态范围进行设置；光源整形组件对光源进行整形发射准直平行光，光束口径小于20mm，准直度小于1′。

光源整形组件，可以直接采用扩束镜，优选的，包括准直镜和扩束镜，使光源依次通过准直镜和扩束镜，以获得效果更好的准直平行光。

优选的，所述信息采集设备包括第一信息采集设备和第二信息采集设备；

所述第一信息采集设备包括第一光学镜组和第一相机，所述第一光学镜组用于接收依次经反射镜反射、经分光镜透射的平行光并聚焦，所述第一相机用于采集聚焦后的第一光斑信息；

所述第二信息采集设备包括第二光学镜组和第二相机，所述第二光学镜组用于接收被测光学模拟器发射的平行光并聚焦，所述第二相机用于采集聚焦后的第二光斑信息。

第一光学镜组和第二光学镜组可以采用反射式光学系统或透射式光学系统，具体的，根据不同波长的平行光选择不同焦距的光学镜组，以实现汇聚光束。

具体的，前述信息采集设备的属性参数中，a₁和a₂分别为第一相机和第二相机的像素尺寸，f₁′为第一光学镜组的焦距，f₂′为第二光学镜组的焦距。

为了提高测量精度，所述第一相机和第二相机为高频帧相机，像素数不小于2048*1024，帧频不小于200fps，优选的，相机的探测器类型为CMOS型，探测器的像素分辨率为4096*3072，相机的帧频为340fps。

考虑到，实际中振动环境的多样性，为了模拟真实振动场景，动平台选为电动振动平台，用于为反射镜和被测光学模拟器提供模拟振动环境；同时考虑到，在振动环境中，会对光学器件稳定性及测量结果的精度造成影响，因此，将平行光产生组件和信息采集设备置于隔振平台上，以保证平行光产生组件和信息采集设备不受电动振动平台的影响。

本发明实施例中的动平台条件下光学模拟器光轴一致性检测装置，将被测光学模拟器电动振动平台上，在模拟的振动环境下，对被测光学模拟器的光轴一致性进行测量，解决了现有技术只能测量静态条件下光学模拟器光轴一致性的缺陷，提高了光学模拟器在动平台条件下光轴一致性的测量精度，为精确制导提供了有效保障；通过测量被测光学模拟器和反射镜在相同振动条件下的偏向角，利用同步补偿技术，即通过测量反射镜的偏向角得到电动振动平台引起的光轴偏移量，有效消除电动振动平台自身导致的测量误差，从而提高动平台条件下光学模拟器光轴一致性的测量精度。

方法实施例

本发明的另一个具体实施例，还公开了一种动平台条件下光学模拟器光轴一致性检测方法，包括以下步骤：在设置被测光学模拟器的动平台上安装反射镜，其中，所述反射镜的光轴与所述被测光学模拟器的光轴平行；利用平行光产生组件，产生垂直照射到所述反射镜上的平行光；在相同振动条件下，分别获取在t₁、t₂时刻反射镜反射平行光产生的第一光斑信息和被测光学模拟器发射平行光产生的第二光斑信息；根据所述第一光斑信息和第二光斑信息获得被测光学模拟器光轴的偏移量。

优选的，所述获得被测光学模拟器光轴的偏移量具体包括以下步骤：

基于所述第一光斑信息和第二光斑信息分别得到t₁、t₂时刻第一光斑和第二光斑的中心坐标；具体的，首先根据设置的阈值利用阈值分割将光斑信息提取出来，再根据提取的光斑信息进行拟合获得光斑的中心坐标。

根据t₁、t₂时刻第一光斑的中心坐标(x₁，y₁)，(x₁'，y₁')具体通过下述公式计算得到反射镜在x方向和y方向的偏向角θ_1x和θ_1y：

其中，a₁、f₁′分别是采集第一光斑的信息所用采集设备的像素尺寸和光学镜组的焦距。

根据t₁、t₂时刻第二光斑的中心坐标(x₂，y₂)，(x₂'，y₂')具体通过下述公式计算得到被测光学模拟器在x方向和y方向的偏向角θ_2x和θ_2y：

其中，a₂、f₂′分别是采集第一光斑的信息采集设备的像素尺寸和光学镜组的焦距。

最后，利用下式获得被测光学模拟器光轴的偏移量：

本发明实施例中的动平台条件下光学模拟器光轴一致性检测方法，将被测光学模拟器电动振动平台上，在模拟的振动环境下，对被测光学模拟器的光轴一致性进行测量，解决了现有技术只能测量静态条件下光学模拟器光轴一致性的缺陷，提高了光学模拟器在动平台条件下光轴一致性的测量精度，为精确制导提供了有效保障；通过测量被测光学模拟器和反射镜在相同振动条件下的偏向角，利用同步补偿技术，即通过测量反射镜的偏向角得到电动振动平台引起的光轴偏移量，有效消除电动振动平台自身导致的测量误差，从而提高动平台条件下光学模拟器光轴一致性的测量精度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种动平台条件下光学模拟器光轴一致性检测装置，其特征在于，包括：

与被测光学模拟器设置于同一电动振动平台上的反射镜，其中，所述反射镜的光轴与所述被测光学模拟器的光轴平行；

平行光产生组件，用于产生垂直照射到所述反射镜上的平行光；

信息采集设备，用于采集平行光经所述反射镜反射后产生的第一光斑信息和被测光学模拟器发射平行光产生的第二光斑信息；

处理器，用于根据所述第一光斑信息和第二光斑信息获得被测光学模拟器光轴的偏移量，具体包括：

基于所述第一光斑信息和第二光斑信息分别得到t₁、t₂时刻第一光斑和第二光斑的中心坐标；

根据t₁、t₂时刻第一光斑的中心坐标得到反射镜在x方向和y方向的偏向角θ_1x和θ_1y；

根据t₁、t₂时刻第二光斑的中心坐标得到被测光学模拟器在x方向和y方向的偏向角θ_2x和θ_2y；

利用下式获得被测光学模拟器光轴的偏移量：

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述反射镜的偏移量小于0.5″。

3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述平行光产生组件包括准直光源和分光镜，所述准直光源发射平行光经分光镜反射至反射镜。

4.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于，所述准直光源包括光源和光源整形组件，所述光源整形组件对光源进行整形发射准直平行光，准直度小于1′。

5.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于，所述信息采集设备包括第一信息采集设备和第二信息采集设备；

所述第一信息采集设备包括第一光学镜组和第一相机，所述第一光学镜组用于接收依次经反射镜反射、经分光镜透射的平行光并聚焦，所述第一相机用于采集聚焦后的第一光斑信息；

所述第二信息采集设备包括第二光学镜组和第二相机，所述第二光学镜组用于接收被测光学模拟器发射的平行光并聚焦，所述第二相机用于采集聚焦后的第二光斑信息。

6.根据权利要求5所述的检测装置，其特征在于，所述第一相机和第二相机为高频帧相机，像素数不小于2048*1024，帧频不小于200fps。

7.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述动平台为电动振动平台，用于为反射镜和被测光学模拟器提供模拟振动环境；

还包括隔振平台，用于保证平行光产生组件和信息采集设备不受电动振动平台的影响。

8.一种动平台条件下光学模拟器光轴一致性检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

在设置被测光学模拟器的电动振动平台上安装反射镜，其中，所述反射镜的光轴与所述被测光学模拟器的光轴平行；

利用平行光产生组件，产生垂直照射到所述反射镜上的平行光；

在相同振动条件下，分别获取在t₁、t₂时刻反射镜反射平行光产生的第一光斑信息和被测光学模拟器发射平行光产生的第二光斑信息；

根据所述第一光斑信息和第二光斑信息获得被测光学模拟器光轴的偏移量，具体包括：

基于所述第一光斑信息和第二光斑信息分别得到t₁、t₂时刻的第一光斑和第二光斑的中心坐标；

根据t₁、t₂时刻第一光斑的中心坐标得到反射镜在x方向和y方向的偏向角θ_1x和θ_1y；

根据t₁、t₂时刻第二光斑的中心坐标得到被测光学模拟器在x方向和y方向的偏向角θ_2x和θ_2y；

利用下式获得被测光学模拟器光轴的偏移量：

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